高虎艷 鄧國(guó)華
(西安市地下鐵道有限責(zé)任公司 西安 710018)
大厚度濕陷性黃土地鐵工程綜合處理措施初探
高虎艷 鄧國(guó)華
(西安市地下鐵道有限責(zé)任公司 西安 710018)
針對(duì)大厚度濕陷性黃土區(qū)段地鐵工程,提出以分析浸水可能性和水敏性為主、防水和地基處理并重、有效發(fā)揮天然黃土承載力的總體處理思路。研究表明,大厚度濕陷性黃土具有地層結(jié)構(gòu)連續(xù)穩(wěn)定、抵抗變形能力強(qiáng)、承載力高、10 m以內(nèi)浸水可能性較大、10 m以下浸水可能性較小的特點(diǎn)。地鐵工程應(yīng)充分利用上述特點(diǎn),結(jié)合黃土力學(xué)研究新成果,提出技術(shù)先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)節(jié)約的綜合處理措施。
地鐵工程;大厚度濕陷性黃土;水敏性;結(jié)構(gòu)性;處理措施
隨著我國(guó)黃土地區(qū)公路、鐵路、水利、地鐵、電力等工程建設(shè)的穩(wěn)步推進(jìn),在大厚度濕陷性黃土地區(qū)展開的工程建設(shè)項(xiàng)目日益增多。如甘肅撿財(cái)塘風(fēng)電場(chǎng)工程的濕陷性黃土層厚度大于30.0 m,蒲城電廠的濕陷性黃土層厚度為35.0 m,寧夏扶貧揚(yáng)黃工程的自重濕陷性黃土層厚度為36.0 m,西安地鐵4號(hào)線南段的濕陷性土層厚度達(dá)到25 m,地基處理的深度和難度越來(lái)越大。
依據(jù)《濕陷性黃土地區(qū)建筑規(guī)范》,對(duì)于建筑工程,處理原則采取以地基處理為主的綜合措施,很顯然,將最大濕陷視為主線的濕陷變形計(jì)算理論,以及全部或部分消除濕陷性的地基處理方法[1],與大厚度濕陷性黃土的工程實(shí)際條件和經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)格格不入。對(duì)于甲類地面工程,如變電站、高層建筑,只能采用樁基穿透或大面積浸水的辦法來(lái)消除濕陷性的影響,考慮到自重濕陷性土層的負(fù)摩阻力,樁基的深度將大大加長(zhǎng),而浸水卻對(duì)環(huán)境影響較大,在城市沉降敏感地帶無(wú)法實(shí)施,這兩種方法在技術(shù)上或經(jīng)濟(jì)上都有一定的缺陷;對(duì)于甲類地下工程穿越濕陷性黃土層,如鐵路隧道、公路隧道,由于受到操作空間和施工工藝的限制,大部分方法顯得無(wú)能為力,如果考慮從地表著手處理,工程造價(jià)和地面環(huán)境也是不允許的。實(shí)際上,大厚度濕陷性黃土之所以存在,其浸水可能性小的事實(shí)已經(jīng)在長(zhǎng)期的存在過程中得到了很好的證明。很顯然,如果仍沿用破壞結(jié)構(gòu)性、消除濕陷性的指導(dǎo)思想,采取以地基處理為主的綜合處理措施,不僅現(xiàn)有的技術(shù)達(dá)不到處理的要求,而且在處理費(fèi)用上也使人們望而卻步。
近年來(lái),黃土力學(xué)的研究從水敏性、結(jié)構(gòu)性等方面出發(fā),形成了一大批卓有成效的成果[2-5],但現(xiàn)行規(guī)范雖幾經(jīng)易稿,僅是結(jié)合建筑工程的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)修修補(bǔ)補(bǔ),對(duì)地下工程指導(dǎo)意義不是很大。在應(yīng)用于一些大厚度濕陷性黃土工程方面,將會(huì)造成不必要的浪費(fèi)。隨著在甘肅、陜西、寧夏、青海等地大厚度濕陷性黃土地基處理問題的嘗試,越來(lái)越多的人對(duì)這種破壞結(jié)構(gòu)性、消除濕陷性的處理思路表示了質(zhì)疑[6-7],他們通過研究也提出了一些新的構(gòu)想和技術(shù)評(píng)判標(biāo)準(zhǔn),并經(jīng)受過工程的檢驗(yàn)。筆者試圖以西安地鐵4號(hào)線穿越大厚度濕陷性黃土為背景,嘗試一種濕陷性黃土地基處理的新思路。
正如引言中所提,大厚度濕陷性黃土存在,及其浸水可能性小的事實(shí)已經(jīng)得到了很好的證明。筆者認(rèn)為制定大厚度濕陷性黃土綜合處理措施應(yīng)根據(jù)地層黃土的特點(diǎn)和工程要求,進(jìn)行綜合分析,在解決以下問題的基礎(chǔ)上,提出可行的處理措施。
1)預(yù)測(cè)黃土地基浸水的可能性及程度,應(yīng)結(jié)合工程特點(diǎn),重點(diǎn)認(rèn)識(shí)降雨、地表水體、生產(chǎn)生活用水、灌溉、地下水浸入地基的可能性大小,并分析浸水后是否能完全飽和等特征,可通過調(diào)查分析、現(xiàn)場(chǎng)浸水試驗(yàn)來(lái)確定。
2)認(rèn)識(shí)黃土的水敏性和結(jié)構(gòu)性,應(yīng)結(jié)合黃土地基的浸水程度,進(jìn)行相應(yīng)的分析。完成增濕或飽和濕陷等常規(guī)物理和力學(xué)試驗(yàn),提出濕陷系數(shù)(自重和非自重)、濕陷起始?jí)毫Φ戎匾脑O(shè)計(jì)參數(shù),有動(dòng)荷載要求的應(yīng)進(jìn)行振陷試驗(yàn),再結(jié)合工程實(shí)際正確估計(jì)地基黃土的殘余變形。值得注意的是在濕陷試驗(yàn)中,應(yīng)根據(jù)基底壓力來(lái)確定試驗(yàn)壓力。
3)分析地鐵工程適應(yīng)變形的能力,分別認(rèn)識(shí)不同工法車站主體與附屬、暗挖區(qū)間、盾構(gòu)區(qū)間適應(yīng)變形的能力,或者采取相關(guān)結(jié)構(gòu)措施(如變形縫)以適應(yīng)地層變形,尤其是不均勻變形的能力。
4)綜合評(píng)判上述三方面的內(nèi)容,分析判斷大厚度黃土地基原始承載力和壓縮變形是否能夠滿足設(shè)計(jì)要求。如果能夠滿足要求,應(yīng)制定能充分發(fā)揮天然黃土承載力特性(以防水與地基處理并重)的綜合治理措施;如果不能滿足要求,應(yīng)制定以消除或穿透地基處理為主的綜合治理措施。
浸水可能性分析對(duì)指導(dǎo)大厚度濕陷性黃土工程有重要的意義。如果現(xiàn)場(chǎng)沒有浸水的可能性,就不會(huì)有濕陷的發(fā)生。西安地鐵4號(hào)線在穿越大厚度濕陷性土層時(shí),其浸水因素主要有以下幾種可能:
1)降雨入滲。1951年—2007年,西安地區(qū)年降雨量最大為903.2 mm,年蒸發(fā)量最小為1432.2 mm,蒸發(fā)量大于降雨量,考慮到高峰降雨季節(jié),地層含水量變化不超過3%,且影響深度不超過8 m[5]。該段地鐵隧道埋深在10~18 m之間,因此不用考慮降雨對(duì)地鐵隧道地基的影響,但對(duì)于地鐵車站附屬結(jié)構(gòu)應(yīng)考慮其影響。
2)地表水體。調(diào)查表明,目前距該段隧道最近的地表水體約有5~6 km,且位于地下水流向的下游,地表水體高程低于隧道結(jié)構(gòu)底板。但是,隨著城市的發(fā)展,人文景觀大型水體將隨之產(chǎn)生。它的存在必然會(huì)改變其周邊地下水力聯(lián)系,迫使局部地區(qū)地下水位升高。過去西安市在這方面已有深刻的教訓(xùn),如興慶湖的存在使得周邊10 km2的范圍內(nèi)地下水位抬升了10多m。因此,考慮規(guī)劃和大型地表水體對(duì)該區(qū)段地鐵工程的影響是浸水可能性分析的重點(diǎn)。
3)生產(chǎn)生活用水。一般情況下,隨著城市的發(fā)展,道路兩側(cè)均會(huì)布置一定數(shù)量的給水、污水管道,由于其滲漏的不確定性,對(duì)預(yù)測(cè)大厚度濕陷性黃土浸水的可能性有一定的影響。某單位曾在西安韓森寨一帶進(jìn)行管道漏水影響范圍的試驗(yàn),連續(xù)漏水23~153 d,漏水量為600~1 400 t,最大浸濕范圍為 5.0~7.3 m。同時(shí),用φ350 mm的混凝土管做試驗(yàn),漏水32 d后浸濕范圍基本穩(wěn)定,最大影響半徑為5.0 m[5]。對(duì)于地鐵隧道,這一浸水因素也可忽略不計(jì),但對(duì)于埋深較淺的附屬結(jié)構(gòu)應(yīng)予以考慮。
4)灌溉。據(jù)某地質(zhì)勘測(cè)隊(duì)對(duì)原固海老灌區(qū)地下水的變化調(diào)查發(fā)現(xiàn),老灌區(qū)10多年來(lái)的灌溉運(yùn)行并沒有影響到地下水位的變化,且大量的灌溉水量只能引起地表10 m范圍內(nèi)的土壤含水量發(fā)生變化,10 m以下的土層含水量仍保持在穩(wěn)定狀態(tài)。對(duì)于地鐵隧道,這一浸水因素也可忽略不計(jì)。對(duì)于埋深較淺的附屬結(jié)構(gòu)應(yīng)予以考慮。
5)地下水。根據(jù)西安地鐵抗浮水位專題研究報(bào)告,該段地下水深度在35~60 m之間,百年最高水位在30~50 m之間,地下水位距結(jié)構(gòu)基底約5~30 m,因此也不用考慮地下水對(duì)浸水的貢獻(xiàn)。
由上述的5點(diǎn)分析可以看出,該段大厚度濕陷性黃土上部10 m范圍內(nèi)浸水的可能性較大,下部20 m范圍浸水可能性較小,但在設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮為了規(guī)劃大型地表水體后對(duì)地鐵工程的影響。上述分析僅表明了一種分析方法的思路,并不是所有大厚度濕陷性黃土工程浸水的可能性都一樣。如地面建筑工程地基就應(yīng)高度重視降雨、生產(chǎn)生活用水和灌溉的影響。
大厚度濕陷性黃土在長(zhǎng)期沉積過程中形成了穩(wěn)定的地層結(jié)構(gòu),盡管各地區(qū)濕陷性黃土的厚度、濕陷性強(qiáng)弱和力學(xué)性質(zhì)都有一定的差異,但在地層結(jié)構(gòu)和影響地基水敏感性方面仍有可以借鑒的共同特征。
為了能夠準(zhǔn)確認(rèn)識(shí)大厚度濕陷性黃土的地層特性,在西安地鐵4號(hào)線南段兩站兩區(qū)間布置探井12個(gè),深度以25 m為主。配合一定的鉆探,深度為40~50 m。根據(jù)井探揭露,沿線地層自上而下依次為第四系全新統(tǒng)人工填土、上更新統(tǒng)風(fēng)積新黃土、殘積古土壤,中更新統(tǒng)風(fēng)積老黃土、殘積古土壤等地層。
圖1~圖6給出了該大厚度濕陷性黃土地層的含水量、飽和度、干密度、孔隙比、壓縮系數(shù)、壓縮模量隨著深度變化的規(guī)律。含水量平均值在20%~22%之間,飽和度平均值在65% ~70%之間,干密度平均值在1.4 ~1.5 g/cm3之間,孔隙比平均值在0.8 ~0.9 之間,壓縮系數(shù)平均值在0.2~1 MPa-1,壓縮模量平均值在8~10 MPa。濕陷類型大部分為自重濕陷性場(chǎng)地,地基濕陷等級(jí)主要為Ⅱ級(jí)中等和Ⅲ級(jí)嚴(yán)重,濕陷深度最大可達(dá)25 m,濕陷量從地表起算最大可達(dá)1 m。
圖1 含水量隨深度的變化
圖2 飽和度隨深度的變化
圖3 干密度隨深度的變化
圖4 孔隙比隨深度的變化
圖5 壓縮系數(shù)隨深度的變化(100~200 kPa)
圖6 壓縮模量隨深度的變化(100~200 kPa)
綜合考慮地層結(jié)構(gòu)、物性參數(shù)、濕陷特征和工程實(shí)際條件,可以分析得出以下結(jié)論:
1)地層連續(xù)穩(wěn)定,含水量、飽和度、干密度、孔隙比相對(duì)穩(wěn)定,壓縮系數(shù)、壓縮模量在地表5 m以下相對(duì)穩(wěn)定。從基本物性參數(shù)判斷,整個(gè)地層濕陷性中等偏弱,水敏性中等偏弱,與區(qū)域經(jīng)驗(yàn)一致;2)從濕陷試驗(yàn)看,在地表5 m以內(nèi),濕陷性中等,5~25 m濕陷性輕微。對(duì)于地鐵工程來(lái)說(shuō),主要的地層位于地表下10~25 m;3)古土壤層連續(xù)交替分布,能起到一定的隔水作用;4)壓縮性中等偏弱,具有一定抵抗變形的能力。能夠滿足地鐵隧道變形的要求;5)地層黃土具有一定的結(jié)構(gòu)性[6],承載力較高。能夠滿足地鐵工程承載力要求;6)Q2老黃土上部,存在一定的濕陷性,但濕陷起始?jí)毫^大[8-9]。對(duì)于隧道工程,拱腳壓力較大,在浸水條件下有可能發(fā)生濕陷,其他部位壓力小于土體自重壓力;7)地鐵隧道在運(yùn)營(yíng)過程中引起的振動(dòng)沒有達(dá)到黃土的臨界振陷動(dòng)應(yīng)力,黃土的變形均在彈性范圍內(nèi),可以不用考慮振陷問題;8)對(duì)于地鐵工程,設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)結(jié)合結(jié)構(gòu)底板的埋深,重新估算地基濕陷變形和濕陷等級(jí),并以此為基礎(chǔ),展開相應(yīng)的設(shè)計(jì)工作。
與工業(yè)與民用建筑、鐵路、公路等工程相比,地鐵土建工程有以下特點(diǎn):
1)絕大多數(shù)地鐵工程均位于城市繁華地帶,由于高層建筑、地下管線、文物等密集分布,對(duì)地層變形要求嚴(yán)格;
2)地鐵工程工法與結(jié)構(gòu)形式繁多。每個(gè)車站除主體結(jié)構(gòu)外,還包括出入口、風(fēng)亭、冷卻塔等附屬建筑。車站施工多采用明挖法,但對(duì)交通影響敏感地帶也可選擇暗挖法、蓋挖法。區(qū)間多采用礦山法、盾構(gòu)法施工,在局部特殊地段也可采用明挖法。區(qū)間工程不僅包括正線、折返線、后配線、停車線等,還包括聯(lián)絡(luò)通道、施工豎井等附屬工程。當(dāng)然,地鐵工程可選擇地下、地面、高架等敷設(shè)方式;
3)地下鐵道結(jié)構(gòu)中主要構(gòu)件的設(shè)計(jì)使用年限為100年。主體結(jié)構(gòu)及其相連的重要構(gòu)件,其安全等級(jí)為一級(jí),其他構(gòu)件的安全等級(jí)為二級(jí),支護(hù)結(jié)構(gòu)的安全等級(jí)不低于二級(jí);
4)地鐵區(qū)間結(jié)構(gòu)可通過設(shè)置變形縫調(diào)節(jié)不均勻沉降,地鐵車站適應(yīng)變形能力相對(duì)較弱;
5)地鐵工程承受列車振動(dòng)的往復(fù)應(yīng)力作用,當(dāng)列車引起的振動(dòng)應(yīng)力大于黃土的振陷臨界應(yīng)力時(shí),黃土地基也將產(chǎn)生附加變形;
6)根據(jù)《濕陷性黃土地區(qū)建筑規(guī)范》的要求,地鐵車站和區(qū)間主體為甲類建筑,附屬工程為乙類建筑。
基于對(duì)大厚度濕陷性黃土工程浸水可能性分析和地層特點(diǎn)分析,結(jié)合工程的實(shí)際特點(diǎn),筆者認(rèn)為可制定以下的處理原則和措施。
1)處理原則。采取以地基處理和防水并重,主動(dòng)發(fā)揮天然黃土有效承載力的綜合處理措施。
2)處理措施。對(duì)于地鐵隧道工程,可采用三種處理措施:一是對(duì)于浸水可能性小的區(qū)間隧道,且地下水深度較深時(shí)采用深層散水方案,在隧道兩側(cè)10 m左右的位置設(shè)置深層砂井散水井,砂井間距根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)確定,試驗(yàn)技術(shù)要求可參考文獻(xiàn)[10],砂井深度與地下水位埋深一致,將其周邊的可能水體直接引入地下水(見圖7),此外,對(duì)于礦山法隧道,考慮到拱腳兩側(cè)應(yīng)力集中,為確保安全對(duì)洞內(nèi)拱腳處樹根樁進(jìn)行加固,樹根樁直徑15~25 cm,長(zhǎng)度一般控制在3~5 m,角度可選擇30°~60°,對(duì)于盾構(gòu)工程,可不采取專門的地基處理措施,在結(jié)構(gòu)計(jì)算中,應(yīng)考慮隧道兩側(cè)發(fā)生濕陷引起的負(fù)摩阻力問題;二是對(duì)于浸水可能性較大的地段,下臥有濕陷性黃土層較厚的區(qū)間均采用礦山法施工,選擇雙側(cè)壁導(dǎo)坑法,先行實(shí)施雙側(cè)壁導(dǎo)坑后,采用洞內(nèi)人工挖孔樁穿透濕陷性黃土層,然后將隧道結(jié)構(gòu)置于人工挖孔樁上(見圖8);三是對(duì)于浸水可能性較大的區(qū)間,下臥有濕陷性黃土層較薄時(shí),宜選擇礦山法施工。在初期支護(hù)完成后,對(duì)地基進(jìn)行灰土墊層或灰土擠密處理。當(dāng)然也可選擇盾構(gòu)法施工,在盾構(gòu)管片上預(yù)留注漿孔。
值得一提的是,礦山法施工由于是在隧道襯砌結(jié)構(gòu)尚未完全封閉的條件下進(jìn)行,因此首先要制定保證隧道自身穩(wěn)定性的嚴(yán)密措施(見圖9)。
圖7 深層散水方案
圖8 雙側(cè)壁導(dǎo)坑人工挖孔樁
圖9 灰土墊層或灰土擠密處理
對(duì)于地鐵車站主體工程選擇明挖法施工。按甲類工程的要求,對(duì)于浸水可能性小的車站,對(duì)底板以下的自重濕陷性黃土進(jìn)行灰土墊層或灰土擠密處理,對(duì)車站底板周邊一定范圍的自重濕陷性黃土進(jìn)行孔內(nèi)強(qiáng)夯處理;對(duì)于浸水可能性較大的車站,對(duì)底板以下的濕陷性黃土進(jìn)行灰土墊層灰土擠密樁處理或樁基穿透。
對(duì)于地鐵車站附屬工程,如出入口、冷卻塔等建筑物,按乙類建筑的要求,依據(jù)剩余濕陷量的控制標(biāo)準(zhǔn),選擇明挖法施工,采用灰土墊層和灰土擠密的方法進(jìn)行處理。
上述的處理措施不僅可以有效發(fā)揮原狀黃土的天然承載力,其技術(shù)先進(jìn),而且大幅度地降低了處理費(fèi)用,可操作性強(qiáng)。
大厚度黃土地鐵工程治理時(shí),應(yīng)充分吸收黃土力學(xué)研究的新成果,在綜合分析浸水可能性和水敏性的基礎(chǔ)上,制定技術(shù)先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)節(jié)約的綜合治理措施。
1)對(duì)于大厚度濕陷性黃土,預(yù)測(cè)地基浸水可能性非常重要,工程中應(yīng)重點(diǎn)認(rèn)識(shí)降雨、地表水體、生產(chǎn)生活用水、灌溉、地下水浸入地基的可能性大小和浸水后的飽和程度。
2)大厚度濕陷性黃土10 m以下的地層一般具有地層結(jié)構(gòu)連續(xù)穩(wěn)定、抵抗變形能力強(qiáng)、承載力高和浸水可能性小的特點(diǎn),可作為地基的持力層。地鐵工程應(yīng)充分利用這些特點(diǎn),根據(jù)浸水可能性的大小,制定合理的地基處理措施。
3)大厚度濕陷性黃土工程應(yīng)采取以地基處理和防水并重,主動(dòng)發(fā)揮天然黃土有效承載力的綜合處理措施。
4)三種地鐵隧道地基的處理方案,即深層散水方案、雙側(cè)壁導(dǎo)坑人工挖孔樁、灰土墊層與灰土擠密,可有效解決地下隧道工程地基處理問題。與傳統(tǒng)的處理思路相比,不僅可操作性強(qiáng),而且經(jīng)濟(jì)節(jié)約。
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Research on the Treatment Measures for Heavy Thick Wet Loess for Subway Engineering
Gao Huyan Deng Guohua
(Xi’an Metro Corporation,Xi’an 710018)
Abstract:For the subway engineering in the collapsible heavy thick wet loess region,a general processing idea is proposed based on the analysis of flooding possibility and water sensitivity,waterproof and ground treatment and the carrying capacity of natural loess.The research shows that the heavy thick collapsible loesses have the characteristics of stable and consecutive stratigraphic architecture,high resistance to deformation,high bearing capacity,easily flooding within 10 m and small possibility under 10 m.These characteristics should be fully taken into account in developing subway project.An advanced and economical comprehensive treatment measure is proposed by absorbing the new research results of the loess mechanics.
Key words:subway engineering;collapsible loess;water sensitivity;structure;treatment measure
TU444
A
1672-6073(2014)01-0076-05
10.3969/j.issn.1672-6073.2014.01.019
收稿日期:2013-03-13
2013-07-10
作者簡(jiǎn)介:高虎艷,男,教授級(jí)高級(jí)工程師,從事巖土工程勘察和研究工作,489530341@qq.com
(編輯:郝京紅)